Forskere producerer grafen nanobånd med nanoporer til hurtig DNA-sekventering

Instruktionerne til opbygning af alle kroppens proteiner er indeholdt i en persons DNA, en række kemikalier, hvis afviklet og spændt ende mod ende, ville danne en sætning på 3 milliarder bogstaver. Hver persons sætning er unik, så at lære at læse gensekvenser så hurtigt og billigt som muligt kunne bane vejen for utallige personlige medicinske anvendelser.

Forskere ved University of Pennsylvania har nu gjort fremskridt i retning af at realisere en ny sekventeringsteknik baseret på at tråde den streng gennem et lille hul og bruge en nærliggende sensor til at læse hvert bogstav, når det passerer igennem.

Deres DNA-sensor er baseret på grafen, et atomisk tyndt gitter af kulstof. Tidligere versioner af teknikken gjorde kun brug af grafens uovertrufne tyndhed, men Penn-holdets forskning viser, hvordan det nobelprisvindende materiales unikke elektriske egenskaber kan bruges til at lave hurtigere og mere følsomme sekventeringsenheder.

Kritisk, holdets seneste undersøgelse viser, hvordan man borer disse nanoporer uden at ødelægge grafens elektriske følsomhed, en risiko ved blot at se på materialet gennem et elektronmikroskop.

Holdet inkluderer Marija Drndić, professor i fysik ved School of Arts and Sciences, og medlemmer i hendes laboratorium, herunder kandidatstuderende Matthew Puster og postdoc-forskerne Julio Rodríguez-Manzo og Adrian Balan.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Drndićs gruppe har tidligere demonstreret en række fremskridt i retning af at læse gener ved at føre dem gennem et lille hul, eller nanopore. Deres undersøgelse fra 2010 involverede at bore et hul i et ark grafen, derefter lægge det i et ionbad sammen med de DNA-strenge, der skal påvises. Fordi hver af de fire baser, bogstaverne i DNA's alfabet, har en anden størrelse, et forskelligt antal ioner ville forventes at presse sig igennem sammen med hver base, når strengen passerer gennem poren. Forskere kunne derefter fortolke sekvensen af ​​DNA'ets baser ved at måle ionernes elektriske signal. Imidlertid, disse nuværende signaler er svage, begrænse den hastighed, hvormed DNA kan sekventeres.

Mange forskergrupper udforsker nu flere måder at forbedre teknikkens følsomhed og hastighed på, herunder nye materialer og nye måder at skabe nanoporer i dem. Drndićs gruppe har eksperimenteret med forskellige membraner, samt tilføjelse af forbedret elektronik til måling ved højere hastigheder, men dens seneste undersøgelse repræsenterer en helt ny måde at generere et elektrisk signal, der er unikt for hver base.

"Vores seneste forsøg på at forbedre teknikken er en afvigelse fra vores tidligere arbejde, imidlertid, " sagde Drndić. "Vi forsøger nu at måle strøm direkte fra grafen, hvorimod vi før målte ionstrøm i opløsningen, når den går gennem poren."

Penn-teamet ønskede at se, om nanoporer i grafen, det mest ledende materiale kendt, ville være i stand til at mærke forskellen mellem baser direkte. I stedet for deres forskellige størrelser, denne metode ville stole på, at baserne ændrer den elektriske ladning i det nærliggende materiale. I dette tilfælde, materialet ville være tyndt, trådlignende bånd af grafen. Når hver base passerer gennem poren, det ville modulere den elektriske strøm, der strømmer gennem båndet. Ændringerne i strøm ville så blive matchet til deres tilsvarende baser, giver forskerne mulighed for at tyde rækkefølgen.

"Fordelen, " sagde Balan, "i forhold til den ioniske metode er, at strømmen i grafenbåndet er tusind gange højere. Det betyder, at vi kan måle tusind gange hurtigere. Vi behøver ikke at bremse DNA'et for at foretage en nøjagtig måling af hver base."

Efter at have fremstillet grafenbåndene på en siliciumnitridmembran og fastgjort metalkontakter, forskerne kablede dem til at måle deres modstand og satte dem derefter i et transmissionselektronmikroskop, eller TEM. Denne type mikroskop bruger en bred stråle af elektroner til at producere billeder med opløsning i nanoskala ved at måle elektronerne, når de passerer gennem prøven, men den kan også bruges som en boremaskine ved at fokusere strålen.

Forskerne havde brugt en TEM til at bore nanoporer i ark af grafen til deres tidligere sekventeringseksperimenter, men stødte på en uventet udfordring denne gang. Når de sætter deres bånd i TEM, de fandt, at modstanden var markant øget, begrænsende følsomhed.

"Bare at se på grafenbåndene med TEM fik dem til at nedbrydes, " Drndić sagde. "Den brede stråle, vi bruger til billeddannelse, beskadigede dem ved at introducere defekter i mønsteret af kulstofatomer. Det var næsten ikke grafen mere."

"Det gjorde ikke noget i vores tidligere eksperimenter, " sagde Puster, "da vi kun brugte grafen for dets tyndhed og mekaniske egenskaber. Vi skabte disse defekter og øgede modstanden, men vi var ikke klar over det, fordi vi ikke målte grafenens elektriske egenskaber."

Men med graphens ultra-lav modstand nøgle til deres foreslåede sekventeringsenhed, holdet blev præsenteret for et dilemma; de skulle stikke hul på et præcist sted på et bånd 10, 000 gange tyndere end et menneskehår, mens det effektivt har bind for øjnene.

"Dette var en rigtig vejspærring, " sagde Drndić. "Hvordan skulle vi bore disse porer, når bare at se på båndet dræber enheden?"

Teamets løsning var at bruge en anden billedbehandlingstilstand i TEM, som frembragte et groft scanning snarere end high-definition billede.

"I stedet for at åbne stråleventilen og oversvømme båndet med elektroner, " sagde Rodríguez-Manzo, "vi bruger en scanningstilstand, der kun tager et øjebliksbillede. Ved at tage det mest slørede billede, der stadig fortæller os, hvor kanten af ​​båndet er, vi begrænser mængden af ​​elektroner, der rammer den."

"Det billede, vi får tilbage, er meget pixeleret, " sagde Puster. "Men så skal vi bare vælge den pixel, hvor vi vil placere poren eller hakket."

Holdet målte samtidig båndenes modstand, mens de tog disse snapshots, viser tydeligt, at de forblev ubeskadigede under hele processen. De simulerede også tilstedeværelsen af ​​en DNA-streng ved at bruge et elektrisk felt til at teste, at enheden ville være følsom nok til at udføre DNA-eksperimenter med.

"Jeg tror, ​​at dette kan løse problemer for en masse forskellige nanosensorer, " sagde Drndić. "Uanset om de er lavet af grafen, nanotråde, kulstof nanorør eller andre nanostrukturer, dette vil hjælpe med at holde dem i funktionsdygtig stand, mens de er i en TEM. Det vigtigste trick her er at bore nanoporen med så lidt billeddannelse som muligt, tager lige et hurtigt kig ud under bind for øjnene."